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

Комплексное решение задач эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых

Для повышения эффективности и экологической безопасности освоения месторождений редкоземельного и редкометалльного сырья предложены инновационные технологические решения в области горной технологии и обогащения полезных ископаемых. Для месторождения «Партомчорр» компьютерным моделированием обосновано расширение проектного контура карьера со строительством гидротехнических сооружений, обеспечивающее отработку запасов в водоохранных целиках, определены схемы вскрытия и подготовки подземного рудника с дистанционно-управляемым транспортом, обоснована технология обезвоженной укладки отходов обогащения. Для Зашихинского месторождения разработана флотационно-магнитная технология обогащения литийсодержащего техногенного сырья с извлечением до 50% оксида лития при содержании полезного компонента > 3%. Для очистки промышленных вод и снижения техногенного воздействия на природную среду предложена прогнозная модель процессов коагуляции и осаждения взвешенных частиц и катионов металлов, переведенных в нерастворимые соединения.

Геотехнология

В рамках развития горно-геологической информационной системы MINEFRAME, нацеленной на создание цифровой модели горнодобывающего предприятия, разработан комплекс программных средств, реализующий на основе моделирования объектов и процессов горной технологии решение таких задач, как: формирование границ отрыва и развала оторванной от массива горной массы, формирование отвалов пустых пород при минимизации транспортных затрат, определение нормативных показателей потерь и разубоживания, перспективное и краткосрочное планирование горных работ. 

Разработан алгоритм и методика автоматизированного обоснования направления углубки и режима горных работ, учитывающие горно-геологические условия и технологические параметры системы разработки с возможностью изменения темпов углубки рабочей зоны карьера в различные периоды отработки месторождения. 

Обоснованы параметры технологии подземной разработки рудных тел сложного геологического строения, исключающего самообрушение подработанной толщи пород. Технология реализована при отработке опытно-промышленного блока 11/15 гор. +100м месторождения «Олений ручей», где предложен вариант системы подэтажного обрушения руды с частичным принудительным обрушением покрывающих пород скважинами с увеличенной ЛНС и выпуском руды через траншею с применением самоходной техники. Обоснована минимальная толщина породной подушки, обеспечивающей защиту выработок от воздушных ударов, что позволяет извлекать запасы без оставления целиков и создавать условия для перехода на системы с полным обрушением руды и вмещающих пород (рис. 1). 

 Рисунок 1 - Системы подэтажного обрушения с частичным принудительным обрушением налегающих вмещающих пород и выпуском руды через траншейное днище

Обоснована технология подготовки горизонтов для системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды путем нарезки блоков на подэтажах по шахматной схеме расположения буро-доставочных и вентиляционно-транспортных выработок, что позволяет в 1.5-2.0 раза уменьшить количество нарезных выработок, исключить 4-х сторонние сопряжения, в результате чего повышается их устойчивость и обеспечивается  возможность производить отбойку сопряжений одиночными веерами, что обеспечивает повышение показателей выпуска руды, уменьшение степени нарушенности массива и скважин, обуренных на опережение. 

Разработана методика геотехнического сопровождения работ по инженерной защите склонов от скально-обвальных явлений, отличающаяся комплексностью использования междисциплинарных методов на основе геофизического мониторинга, численного моделирования состояния породного массива до и после производства работ, а также технико-экономического обоснования проектных решений, что позволяет оперативно оценивать степень аварийности обследуемого объекта капитального строительства при выборе эффективных и надежных инженерно-технических средств обеспечения его безопасности. 

Разработан методологический подход к анализу инвестиционной привлекательности освоения техногенных образований (ТО) для оценки перспектив их перевода в разряд техногенных месторождений, реализованный на основе междисциплинарных исследований, взаимоувязывающих результаты мониторинга состояния ТО, принципы и технологии  их добычи, переработки, складирования и консервации, анализ законодательной базы обращения с ТО и укрупненную геолого-экономическую оценку с учетом особенностей региона. Осуществлена модернизация структуры базы данных кадастра ТО Кольского горнопромышленного комплекса. 

 Геомеханика

На основе комплекса геологических, геомеханических и технологических моделей исследовано влияние масштабов открыто-подземной геотехнологии на геомеханическое состояние крупной горнотехнической системы. Выявлены закономерности перераспределения напряжений в окрестности очистных пространств на больших глубинах в условиях высокого тектонического сжатия, гористого рельефа и взаимного влияния открытых и подземных горных работ, позволившие сформулировать принципы безопасной отработки месторождений в сложных геомеханических условиях. На примере Хибинских апатититовых месторождений показано, что при масштабном развитии горных работ, связанных с добычей более 300 млн. т руды и понижении границ горных работ до отметки 1000 м от дневной поверхности, увеличивается вероятность риска возникновения сильных динамических проявлений горного давления вплоть до техногенных землетрясений (рис. 2, 3).

  

Рисунок 2 − 3D модель Кировского рудника и распределение максимальной Gmax 

и минимальной Gmin компонент главных напряжений в массиве пород

 

  

 Рисунок 3 − Диаграмма распределения запасов в пределах  Кукисвумчоррского 

и Юкспорского месторождений, предлагаемым местоположением разрезок

 На примере техногенного землетрясения на Расвумчоррском руднике 09.01.2018г обоснован механизм мощных сейсмических событий, реализующихся в виде взброса по имеющимся структурным нарушениям в подстилающих породах лежачего бока за счет частичного снятия вертикальной нагрузки, роста величин касательных напряжений (max) вплоть до критических и совпадения площадок действия max (сдвигового напряжения) с геодинамически активной разломной структурой. Триггером мощного динамического явления был массовый взрыв 08.01.2018 на фоне достижения самим массивом горных пород предельно неустойчивого состояния. События с подобным механизмом вызывают наиболее мощный сейсмический отклик массива и могут привести к серьезным разрушениям подземных и наземных объектов. 

На основе комплексных натурных измерений и компьютерного моделирования геомеханических процессов в подрабатываемом массиве горных пород при подземной отработке сближенных удароопасных месторождений Хибинского массива установлены особенности его деформирования, приводящие к повышению устойчивости подработанной толщи в условиях действия высоких сжимающих напряжений. С учетом данного фактора выполнено научное обоснование параметров безопасной отработки временно неактивных запасов месторождения «Олений ручей» и предложен методический подход к совершенствованию правил проектирования границ охранных зон в тектонически напряженных массивах, что обеспечивает повышение полноты извлечения запасов и снижение рисков техногенных катастроф при ведении горных работ в условиях взаимного влияния открытых и подземных очистных пространств. 

На основе ретроспективного анализа изменений сейсмического режима рудников с использованием информативных индикаторов уровня сейсмической активности и комплексирования с результатами моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород обоснована методика выявления потенциально сейсмически опасных участков массива на удароопасных месторождениях, отличающаяся последовательным уточнением индикаторов на нескольких масштабных уровнях для выявления зон повышенной сейсмической опасности и определения вероятности реализации мощного сейсмического события. 

Разработана система комплексного многоуровневого мониторинга горнотехнических сооружений западной части российского сектора Арктики, в основу которой положен принцип синхронизации междисциплинарных исследований, включающих в себя: наземные и GPS геодезические, гидрогеологические, геофизические и геотехнические измерения, а также подповерхностные, поверхностные (наземные), воздушные и спутниковые георадарные съемки. Система базируется на проведении режимных измерений на различных уровнях: подповерхностном (гидрологические измерения, георадарное зондирование, сейсмотомография), наземном (геодезические наблюдения, лазерное и радарное сканирование), воздушном (тепловая и радарная аэрофотосъемки с применением беспилотного летательного аппарата (БПЛА)), дистанционном (GPS геодезия, оптические, спектральные и радарные снимки), компьютерном (2D и 3D модели, геомеханическое и гидрогеомеханическое моделирование). 

Дана комплексная оценка влияния локальных нарушений противофильтрационной устойчивости на гидрогеомеханическое состояние и надежность насыпных гидротехнических сооружений (ГТС). В единый комплекс сведены такие различные по природе механизмы влияния на устойчивость насыпных ГТС, как: суффозия, приводящая к возникновению зон ослабления и полостей в теле сооружения; перераспределение фильтрующихся вод, приводящее к изменению геометрии депрессионной кривой – одного из важнейших индикаторов устойчивости ГТС; воздействие фильтрационного хода как структурной неоднородности, приводящее к снижению устойчивости подсекаемых уступов; гидростатическое давление, передаваемое по фильтрационному ходу от ограждаемого водного объекта к основанию сооружения, смещающее баланс удерживающих и сдвигающих сил у основания сооружения. 

 Разрушение горных пород

Разработан комплекс численных моделей взрыва скважинных и шпуровых зарядов, обеспечивающих решение задач: взрывания смежных скважинных зарядов в двухмерной и объемной постановке при одновременном и разновременном их инициировании; взрывания контурных скважин при постановке откосов уступов на конечный контур; взрывания скважинных зарядов при веерном их расположении; взрывания комплекта шпуров при проведении горной выработки. Предложенные численные модели на основе программного продукта Ansys Autodyn и интегрированной в него модели разрушения горных пород под действием динамических нагрузок позволяют решать актуальные задачи взрывного дела. 

На основе численного моделирования взрыва в упругопластической среде в объемной постановке выявлены особенности разрушения массива горных пород системой скважинных зарядов при параллельном их расположении и обоснованы оптимальные условия их взрывания  на основе учета взаимодействия полей напряжений и динамики развития зон разрушения между смежными скважинными зарядами при применении технологии поскважинного взрывания зарядов ВВ, что позволило для  открытых и подземных горных работ обосновать рациональные параметры БВР, последовательность взрывания скважин и оптимальные интервалы замедлений между скважинами и рядами скважин с целью получения необходимого качества подготовки горной массы и снижения сейсмического действия взрыва. 

Установлено соответствие между местами повышенных значений реакции массива горных пород на взрывные воздействия и зонами пониженной устойчивости прибортового массива в карьере рудника «Железный» АО «Ковдорский ГОК», определёнными в результате оценки коэффициента запаса устойчивости (Кзу ≤ 1,3). Выделенные зоны пониженной устойчивости и, соответственно, повышенных значений реакции массива горных пород на взрывные воздействия сконцентрированы в большей степени в северо-восточной, восточной и юго-восточной областях карьера. Полученный результат дополняет районирование массива пород карьера «Железный» по устойчивости элементов открытой геотехнологии и позволяет уточнять места их пониженной устойчивости. 

Разработаны "Методические указания по расчету и проектированию паспортов буровзрывных работ и технология взрывных работ для системы разработки с подэтажным обрушением и торцевым выпуском руды", в которых приведены  основные требования к буровзрывным и очистным работам; схемы подготовки горизонтов, обоснованы параметры системы разработки по условиям выпуска руды; приведен расчет параметров буровзрывных работ, оптимальной глубины скважин по условиям бурения, нарушения и потерь скважин после взрывных работ, заряжания и полноты детонации; схем обуривания и взрывания массива, что позволяет существенно снизить потери и разубоживание отбитой руды и обеспечить более качественное дробление. 

 Рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

С использованием разработанной цифровой модели теплового взаимодействия большепролетной камерной выработки с породным массивом установлена динамика оттаивания приконтурной части массива, определяющая условия сохранения криогенного состояния многолетнемерзлых горных пород и требования к горнотехническим системам регулирования теплового режима. Определены параметры защитной конструкции выработки, ограничивающей оттаивание породного массива. 

Методами математического моделирования исследованы закономерности образования источников тепла в подземных модулях хранилищ контейнерного типа для отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) реакторных установок (РУ) атомных станций малой мощности (АСММ) различного типа: АБВ-6Э, УНИТЕРМ, РИТМ-200М, СВБР-10 и СВБР-100. В рамках концепции хранения облученного топлива в металлобетонных контейнерах типа ТУК-120 в течение всего срока службы РУ определена динамика остаточных энерговыделений в хранилищах ОЯТ в период эксплуатации АСММ. 

 Обогащение полезных ископаемых

На основе установленных закономерностей поведения сильномагнитных частиц в ферромагнитной суспензии, находящейся под воздействием магнитного поля и центробежно-восходящего водного потока, разработана конструкция промышленного магнитно-гравитационного сепаратора и на его основе технология получения высококачественного железорудного концентрата с содержанием Feобщ ≥ 70%. Опытно-промышленная проверка технологии показала ее высокую эффективность, которая наряду со снижением затрат на получение концентрата до 25% обеспечивает повышением извлечения железа из руды до 5%  (рис. 4).

 

 Рисунок 4 − Проект экспериментальной секции на ОФ АО «Карельский окатыш» 

с использованием магнитно-гравитационной сепарации

 На основе установленных минералого-петрографических особенностей труднообогатимой тонковкрапленной медно-никелевой руды Печенгского рудного поля, закономерностей раскрытия сульфидных минералов в процессе измельчения и флотационного разделения тонкодисперсных частиц обоснованы эффективные технологические решения, включающие снижение крупности питания флотации с 80 до 97% класса -0,071 и оптимизацию реагентного режима за счет введения реагентов-диспергаторов. Разработанная технология  позволит повысить извлечение никеля в кондиционный концентрат на ~7-8% при снижении его массовой доли в хвостах флотации. 

Обоснован подход к выбору порога разделения кускового материала апатитсодержащих руд в процессе предварительной концентрации посредством рентгенолюминесцентной сепарации, в результате которой осуществляется вывод из технологического процесса части кусковых пород, приводящий к увеличению рудной составляющей в питании процессов обогащения. Повышение содержания апатита в руде обеспечивает увеличение удельной производительности мельницы по вновь образованному классу в среднем на 25% при одновременном снижении энергозатрат на измельчение на 35%. Технологические показатели апатитовой флотации соответствуют концентрату типа "Стандарт" при извлечении в него Р2О5 на уровне 93-95%, объем тонкоизмельченных хвостов снижается не менее, чем в 1,5 раза. 

На основе компьютерного моделирования выявлены особенности распределения концентраций твердой и газообразной дисперсной фаз в различных типах флотационных машин, что позволило обосновать применение для флотации медно-никелевых руд пневматических флотационных машин с низкой гидродинамической нагрузкой на сформированные комплексы частица-пузырек. Результаты исследований позволили разработать технологию флотационного обогащения медно-никелевой руды с использованием пневматических флотационных машин и дозированием гетерополярного собирателя в виде активированной водной дисперсии воздуха, обеспечившую повышение извлечения никеля на 0,8% при снижении расхода собирателя на 10-15%. 

Показано, что комбинированная гравитационно-флотационная технология обогащения тонкодисперсных малосульфидных руд при оптимальном размещении гравитационных аппаратов в цикле измельчения-классификации обеспечивает повышение извлечения благородных металлов на 2,55%, в т.ч. платины - на 1,84%, палладия - на 2,45%, золота - на 8,8%, а также снижение более чем на 20% циркуляционной нагрузки в операции измельчения по сравнению с разработанной ранее флотационной технологией. 

Горная экология

Разработаны научные основы восстановления природных экосистем в соответствии с принципом их самоорганизации для поддержания устойчивого состояния биосферы. Исследования процессов биологической организации горной породы в ходе мониторинга при восстановлении нарушенных земель показали, что образование биологически активной среды в результате создания сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя обеспечивает быстрое накопление органического вещества, диагностирование биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта, значительно более быстрое, чем при самозарастании, формирование фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта, и подтвердили правильность разработанной методологии, обеспечивающей возможность восстановления почвенно-растительного покрова в масштабах, необходимых для саморегуляции природной среды (рис. 5).

Разработан методический подход к оценке состояния нарушенных земель техногенных ландшафтов и динамики их восстановления по спутниковым данным. На основании анализа массива пространственно-временного распределения согласованных (непротиворечивых) значений вегетационного индекса разработана прогнозная математическая модель изменения вегетационного индекса нарушенных земель при их восстановлении, аппроксимирующая начальный период наблюдаемого временного ряда и включающая периодический и нарастающий компоненты. Выявлена характерная для зональных фитоценозов величина вегетационного индекса, на значение которой выходит вегетационный индекс растительного покрова на лесной стадии сукцессии сеяного злакового фитоценоза при формировании фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта. 

На примере Кольского горнопромышленного  комплекса разработана информационно-аналитическая система поддержки принятия решений при восстановлении нарушенных земель техногенных ландшафтов созданием биологически активной среды. В структуру информационной системы интегрирован программный модуль автоматизированного выбора способов восстановления нарушенных земель на основе анализа содержимого баз данных их состояния и способов создания биологически активной среды в области пересечения по факторам, лимитирующим процессы самовосстановления нарушенных земель. Для оптимизации алгоритма выбора способов восстановления нарушенных земель интегрированы спутниковые данные ретроспективного анализа их состояния, динамики восстановления и параметры оценки ресурсного потенциала самовосстановления природных экосистем, полученные на основе анализа техногенной нагрузки и показателей экологического состояния нарушенных земель. 

Обоснован комбинированный способ очистки шахтных вод, заключающийся в переводе компонентов загрязнения из растворенного состояния во взвешенное для реализации процессов коагуляции, сорбции, и флотации, в одном комплексе. С целью автоматизации управления процессом очистки предложена математическая модель кинетики агрегации взвешенных частиц. 

Выполнено научное обоснование экологически целесообразного способа утилизации мазута из нефтеловушек укладкой на открытые площадки в смеси с биосорбентом, с последующим посевом многолетних трав без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием. Создание биологически активной среды обеспечивает высокую степень утилизации в течение одного вегетационного периода.